Глава 2.4

ПСИХОФИЗИЧЕСКАЯ ФЕНОМЕНОЛОГИЯ ЦВЕТА

Феноменология цветовых ощущений представляет собой дос­таточно многообразную картину.

С одной стороны, ее можно охарактеризовать тремя классами, если так можно выразиться, функциональных феноменов, которые порождаются определенной нейронной организацией цветового зрения. Это феномены цветовой чувствительности (абсолютной и дифференциальной), надпорогового различения цветов, цветового смешения.

С другой стороны, феноменология цвета может характеризо­ваться по результатам работы нейронной сети путем выделения отдельных свойств и качеств цветового ощущения, таких, как цветовой тон, светлота, цветовая оппонеитность и т. п.

Каждая классификация в какой-то мере условна, условно и такое разделение цветовых феноменов, тем более что все они тес­но взаимосвязаны. Поэтому описание одного типа феноменов так или иначе будет переплетаться с описанием другого типа. По традиции мы начнем феноменологию цвета с описания абсолютной чувствительности зрения.

2.4.1. Спектральная чувствительность зрения

Скотопическое зрение. Абсолютная сенсорная чувствительность определяется как величина, обратная абсолютному порогу. Поро­гом называется наименьшая величина стимульной энергии, вы­зывающая специфическую ответную реакцию сенсорной системы. Поэтому данную величину стимула часто обозначают термином нижний абсолютный порог, в отличие от верхнего абсолютного порога, как наименьшего стимула, вызывающего неспецифическую (обычно болевую) реакцию сенсорной системы. Для зрения ниж­ние пороги будут определяться соответственно реакциями на энергию излучения в диапазоне 400–700 нм. Величину этой энер­гии можно измерить любым из пороговых методов. Если по оси абсцисс отложить длину волны монохроматического излучения, а по оси ординат величину, обратную пороговому значению энер­гии излучения, то мы получим функцию спектральной чувстви­тельности зрительной системы.

Функция спектральной чувствительности глаза существенно меняется в зависимости от условий адаптации глаза. Если испы­туемый находится длительное время (40–50 мин) в полной тем­ноте (полная темновая адаптация), чувствительность становится максимальной для излучений в области 505 нм и затем симмет­рично понижается к концам спектра до 400 нм, с одной стороны, и 620 нм – с другой. После этого понижение чувствительности становится асимметричным. В коротковолновой области кривая

51

круто цадает, а в длинноволновой – снижается более полого. Эта функция называется скотопической кривой видности спектра. Иногда говорят, что она характеризует наше ночное зрение (рис. 2.4.1).

Специальный интерес представляет вопрос об абсолютном зна­чении энергии излучения, которое мы можем увидеть при макси­мально благоприятных условиях. Для точечного источника излу­чения длиной волны 505 нм при диаметре зрачка, равном 8 мм, че­ловек может увидеть свет с веро­ятностью 0,5, если освещенность площади зрачка равна 1,4-10~¹⁵ Вт/см².

То, что человек при этом видит, можно представить, если посмотреть ночью на очень маленькую, еле за­метную звезду. На вопрос, какого она цвета, неизменно последует от­вет: «белая» или «бесцветная». Ощущение бесцветного света будет одинаковым, какой бы спектраль­ный состав излучения ни был. По­этому восприятие слабых стимулов называется ахроматическим.

Если в процессе измерения чув­ствительности испытуемому посто­янно предъявлять световой стимул (адаптирующий глаз к свету) и по­степенно увеличивать освещенность адаптирующего поля, то чувстви­тельность глаза будет постепенно снижаться. В этом случае количест­во световой энергии, необходимое для достижения порога, будет уве­личиваться.

Увеличение порогового значе­ния стимула и уменьшение чув­ствительности в этом случае не означает, что новый пороговый стимул будет по своей ахроматичности таким же или более сла­бым, чем прежний. Наоборот, ахроматическое ощущение усилива­ется по абсолютной величине. И если сравнить между собой эти два пороговых стимула, то стимул с большей энергией восприни­мается более ярким или более светлым. Это качество интенсив­ности ахроматического ощущения называется субъективной яр­костью, или светлотой.

Термин «светлота» очень часто используется для характерис­тики отражательных свойств поверхности, в этом случае им ха­рактеризуют качество ахроматического ощущения, которое мы

«и

I

I

<=»

Л»

§■

С: ■С

I

=3

Е 4

-10 -9 -8 -7 -6 -5 "4 -5 -2 -1 О 1

г

X

400 600

Длина Волны, нм

еоо

Рис. 2.4.1. Функции абсолют­ной спектральной чувствитель­ности скотопического и фото-пического зрения

52

обычно называем белым, серым или черным. В то же время этот термин широко используется для характеристики апертурных цветов и источников излучения, в этом случае им характеризуют качество ахроматического ощущения, которое называется ярким или тусклым. Поскольку наше основное внимание направлено на апертурные цвета, то термин «светлота» мы используем как си­ноним для яркости (соответственно темный – тусклый). Конеч­но, более естественно было бы пользоваться просто словом яр­кость, как это принято в англоязычной терминологии (brightness), но в связи с широким распространением в физической и техниче­ской литературе термина «яркость» как характеристики источника излучения использование этого слова в его собственном значении приводит часто к путанице. Поэтому в психофизической лите­ратуре на русском языке при использовании слова «яркость» как термина добавляют прилагательное «субъективная» или «воспри­нимаемая», что, по существу, является тавтологией. Для выде­ления других вариантов использования слова «яркость» пользу­ются прилагательными «фотометрическая», «энергетическая» и т. п. Мы будем пользоваться словом «яркость» в тех случаях, когда его смысл ясен из контекста, во всех других случаях к сло­ву «яркость» будут добавляться прилагательные.

Фотопическое зрение. Функция спектральной чувствительности при увеличении световой адаптации начинает меняться. Макси­мум функции смещается по спектру в длинноволновом направле­нии, и вся функция становится более симметричной. При величине адаптирующего стимула 10~⁶ эрг/с*см², т. е. на три порядка боль­шем, чем абсолютный пороговый стимул, сдвиг максимума дости­гает длины волны 555 нм, и дальнейшее увеличение адаптирую­щего стимула не меняет функции спектральной чувствительности. Функция с таким максимумом называется фотопической кривой видности спектра, она характеризует наше дневное зрение ,(рис. 2.4.1). Функции с максимумами чувствительности, располо­женные между этими крайними положениями, называются мезо-пическими, они характеризуют сумеречное зрение.

Феномен Пуркинье. Сдвиг максимума чувствительности в ко­ротковолновую область спектра при переходе от дневного зрения к ночному, т. е. при понижении интенсивности излучения, называ­ется эффектом Пуркинье, по имени чешского ученого, впервые описавшего этот феномен в 1825 г. Он объясняется существовани­ем в сетчатке человека двух типов рецепторов: палочек и колбо­чек, содержащих разные фотопигменты. Однако для нас сейчас важна психологическая характеристика этого феномена.

Часто при описании эффекта Пуркинье как сенсорного фено­мена указывают, что красные и синие цвета, одинаковые по свет­лоте при фотопическом уровне зрения, при скотопическом зрении кажутся неодинаковыми, а именно синие воспринимаются более светлыми, чем красные. Такое описание верно с точки зрения ре­зультата, но не совсем корректно с терминологической точки зре­ния. На самом деле не синие и красные цвета, а коротковолновые

53

и длинноволновые излучения, одинаковые по светлоте на фото-пическом уровне, будут восприниматься разными по светлоте пр» их ослаблении до скотопического уровня.

Ахроматический диапазон (феномен Парди). Дело заключа­ется в том, что достижение порога фотопического зрения не озна­чает, что началось видение цвета. Это ахроматический порог. Цветовое зрение начинается при интенсивности излучения, превы­шающей фотопические пороги. Между фотопическим порогом и цветовым порогом существует диапазон светлоты, который можно называть фотопическим ахроматическим диапазоном, в отличие

0,03

I⁰'⁰² I

8 I

| 0,01

§

о

Цбетобой порог

±

Ш

450

500 550 600

Длина болны, нм

650

700

Рис. 2.4.2. Ахроматический диапазон, полученный для фовеального зреиня в работах Парди [164; 165]

от скотопического ахроматического диапазона, который определя­ется как диапазон между скотопическим и фотопическим порога­ми. Величина фотопического ахроматического диапазона для из­лучений с разной длиной волны была измерена Парди [164; 165]. Его измерения, проведенные с тщательным контролем всех вто­ричных факторов, выявили, что только в крайнем длинноволно­вом участке спектра нет никакого ахроматического диапазона,. здесь самый слабый стимул сразу же воспринимается как крас­ный, а не бесцветный. Во всех остальных областях спектра между фотопическим порогом и цветовым порогом есть разница. Наи­большая она в области 560–580 нм и 530–540 нм. В коротко­волновой области этот диапазон несколько меньше (рис. 2.4.2).

54

Инвариантность функции спектральной чувствительности. Функ­ция абсолютной спектральной чувствительности представляет нам такие значения интенсивности монохроматических стимулов разной длины волны, которые необходимы для достижения одного и того же – порогового – уровня ощущения яркости, или свет­лоты. Зададимся вопросом: а нельзя ли определить значения ин­тенсивности этих же стимулов, необходимые для достижения надпорогового уровня одинаковой светлоты? Экспериментальные исследования этой проблемы позволили ответить на данный воп­рос утвердительно, надпороговые функции равной субъективной яркости были построены и оказались точно такими же, как и по­роговые функции спектральной чувствительности. Сохранение формы функций спектральной чувствительности при изменении уровня яркости означает, что спектральная чувствительность ин­вариантна относительно умножения на константу (действительное положительное число). Если два разных спектральных стимула подравнять по яркости, а затем с помощью одинаковых нейтраль­ных фильтров оба стимула уменьшить по яркости, например вдвое, они по-прежнему останутся равными, хотя оба будут более темными, чем раньше. Это свойство называется инвариантностью спектральной чувствительности [129; 130], его можно выразить следующей формулой:

a = b-k_t (2.4.1)

где а и Ъ – два излучения различного спектрального состава и разной яркости, a k – действительное положительное число.

В исследованиях инвариантности обнаружились новые проб­лемы ахроматического зрения, поскольку разные методы дают несовпадающие результаты [108; 216].

Методы измерения спектральной чувствительности. Построение надпороговых функций равной яркости производилось тремя раз­личными методами: прямого гетерохроматического подравнива­ния, последовательного сдвига по спектру и фликкер-фотометрии.

В методе прямого гетерохроматического подравнивания ^matching) испытуемый уравнивает по светлоте два (эталонный и сравниваемый) монохроматических излучения, предъявляемых последовательно или параллельно. Подравнивая к эталону раз­личные монохроматические излучения, определяют те значения интенсивности стимулов, которые делают их равными по светлоте эталону. В качестве эталона можно брать любой монохромати­ческий стимул надпороговой яркости.

Метод последовательного сдвига по спектру (step-by-step) отличается от метода гетерохроматического подравнивания тем, что сравнение производится только между соседними по спектру излучениями. Начиная с одного конца спектра, первый стимул сравнивают со вторым, второй – с третьим, третий – с четвер­тым и т. д., пока не дойдут до другого конца спектра.

В методе фликкер-фотометрии используется эффект слияния двух мелькающих вспышек при определенных пространственных,

55

временных и яркостных соотношениях. Когда в качестве меняю­щихся стимулов используют два разных монохроматических излу­чения, то возникают следующие зрительные эффекты. При низкой частоте смены стимулов они видятся как две разные по яркости и цвету вспышки. При увеличении частоты происходит цветовая фу­зия, стимулы кажутся одного смешанного цвета, но мелькания все еще видны. Если в этой ситуации интенсивность одного из стиму­лов менять, то мелькание начинает пропадать вплоть до полного слияния. Однако полное слияние получается очень редко, поэтому испытуемый должен установить минимальный уровень мелькания. При этом предполагается достижение равенства стимулов по светлоте.

Из всех этих методов наиболее воспроизводимые данные дает фликкер-фотометрия. Но проблема заключается в том, что мель­кающий свет визуально очень сильно отличается от немелькаю-щего и минимизация мелькания может быть связана вовсе не со* светлотой, а с какой-нибудь другой сенсорной характеристикой стимуляции. Если бы в качестве критерия можно было использо­вать полное слияние мельканий, когда воспринимается постоян­ный свет, то эта трудность была бы устранена, но полное слия­ние мельканий получить трудно, а в отдельных случаях оно-получается для самых разных соотношений яркостей стимулов,, поэтому стимулы приходится выравнивать еще при мелькающем свете.

Наиболее близкие к фликкер-фотометрии по воспроизводи­мости данные дает метод последовательного сдвига, тогда как прямое сравнение двух разных хроматических стимулов значи­тельно отличается результатами. Дополнительные трудности? в сравнении результатов, получаемых разными методами, вносят индивидуальные различия, а также условия наблюдения и стиму­ляции, которые могут перекрывать разницу, зависящую от са­мого метода.

Закон Эбни и феномен Гельмгольца–Кольрауша. Функция-спектральной чувствительности позволяет сравнить яркости от­дельных монохроматических излучений. А как сравнить яркости излучений, имеющих сложный спектральный состав? Оказывается, что в большинстве случаев ощущение яркости такого сложного излучения будет равно арифметической сумме яркостей ее моно­хроматических составляющих. В общем случае это означает, что-ахроматические ощущения (яркости или светлоты) разных цветов будут суммироваться, если эти излучения совместить вместе. Если взять три спектральных цвета «а», «6» и «с», выравнять их ви­зуально по яркости, а затем первые два из них уменьшить по яр­кости по сравнению с третьим вдвое, то с помощью таких сти­мулов, учитывая выражение (2.4.1), эффект суммации гетерохро­матических яркостей можно выразить простой формулой

а + Ь = с. (2.4.2)

Это свойство яркостной аддитивности нашего зрения получило»

56

шазвание закона Эбни (Abny). Однако более детальные исследо­вания аддитивности гетерохроматических яркостей выявили, что закон Эбни выполняется далеко не для всех излучений, а главным образом для широкополосных. Для узкополосных излучений вы­ражение (2.4.2) может принимать как форму

а+Ь<с_у (2.4.3)

и тогда этот эффект называется субаддитивностью (Иве, 1912; Кольрауш, 1935; Гусе и др., 1969), так и форму

а+Ь>с, (2.4.4)

и тогда этот эффект называется супераддитивностью гетерохро­матических яркостей [97; 98; 68].

Чем уже спектральная характеристика излучения, тем больше неаддитивность. Наибольшая неаддитивность проявляется у мо­нохроматических излучений. А среди монохроматических неадди­тивность больше для краев спектра, чем в середине. Этот феномен назвали эффектом Гельмгольца–Кольрауша, поскольку Гельм-хольц первый связал его с насыщенностью цвета, а Кольрауш до­казал это экспериментальными измерениями [122].

Эффект Гельмгольца–Кольрауша объясняет одну из причин расхождения данных фликкер-фотометрии и прямого сравнения яркостей разных монохроматических излучений. Еще более важ­ным является то, что феномен Гельмгольца–Кольрауша показы­вает, что ахроматичность ощущения не исчерпывается таким ка­чеством, как яркость (или светлота), характеризующим субъек­тивную интенсивность излучения, но включает в себя еще одно качество, которое как-то связывает его с ощущением хроматич-ности. Далее мы будем подробно рассматривать эту вторую ахро­матическую составляющую цветового зрения, а сейчас отметим прикладную важность рассмотренных данных.

Относительная спектральная чувствительность. Исследования зависимости ощущения яркости излучения от его спектрального состава проводились очень интенсивно в конце XIX и начале XX в. С одной стороны, это объяснялось быстрым распростране­нием основных идей психофизики, но с другой стороны, развитие техники и технологии, осветительных устройств и приборов, фо­тографии, кино и многих других отраслей промышленности настоя­тельно требовало знания световой характеристики зрения. Нуж­на была модель зрения, которая позволила бы рассчитывать ощу­щение яркости, производимое данным излучением, не обращаясь каждый раз к довольно сложным методам визуального измерения световых ощущений. Это привело специалистов из разных облас­тей науки и техники, связанных с излучением и светом, к согла­шению, что если зафиксировать условия наблюдения, то функция спектральной чувствительности после усреднения по большому числу испытуемых и нормирования по максимуму может служить в качестве стандартной нормы для яркостной характеристики излу-

57

чения. <Такая функция будет называться функцией относительной чувствительности зрения (рис. 2.4.3).

Поскольку для практических целей очень важна простота изме­рительной структуры, остановились на функции спектральной чувствительности, построенной методом фликкер-фотометрии, как обладающей свойством яркостной аддитивности для гетерохрома­тических излучений.

В 1924 г. функция относительной спектральной чувствительнос­ти вместе с законом Эбни была положена в основу международ­ного стандарта для спецификации субъективной яркости спект­рального излучения, так назы­ваемого фотометрического Стандартного Наблюдателя МКО-24. Функция спектраль­ной чувствительности позволя­ла определить значение субъ­ективной яркости каждого мо­нохроматического излучения в отдельности, а закон Эбни позволял по этим отдельным яркостям определить яркость излучения, имеющего слож­ный спектральный состав, пу­тем простого сложения ярко­стей отдельных монохромати­ческих составляющих. Иначе говоря, яркость излучения, ха­рактеризующегося определен-спектру, равна интегралу функ-произведения спектрофотометри-ческои кривой на кривую спектральной чувствительности.

Рассчитанная таким методом яркость получила название фото-метрической яркости, ей соответствует в английском языке термин «luminance». В отечественной литературе наиболее часто для обо­значения фотометрической яркости применяется термин «яркость». Поэтому и в переводе с английского обычно «luminance» перево­дят как «яркость».

Мы уже знаем, что два излучения с разным спектральным сос­тавом и одинаковой фотометрической яркостью в общем случае не будут восприниматься одинаково яркими. Но с практической точки зрения эта разница не существенна, потому что наши ощу­щения зависят от такого большого числа неспецифических факто­ров (таких, как удаленность, угол зрения, адаптация, индивиду­альные различия и т. д.), что влиянием такого фактора, как эф­фект Гельмгольца–Кольрауша на практике можно пренебречь. Убедительным подтверждением служит использование фотомет­рической спецификации яркостей излучений в науке и технике.

В то же время в научных исследованиях зрения, где неспеци­фические влияния на ощущение строго контролируются, необходи-

450 550

Длина болны, нм

650

Рис. 2.4.3. Функции относительной спек­тральной чувствительности скотопичес-кого (V_c) и фотопического (Уф) зре­ния

ным распределением энергии по ции, получающейся в результате

5S

ио отличать фотометрическую яркость от светлоты (или субъек­тивной яркости). Поэтому в зрительных экспериментах стимулы обычно выравниваются по светлоте отдельно для каждого испы­туемого, а фотометрическими измерениями пользуются для специ­фикации аргументов психофизических функций, т. е. для обозна­чения стимулов. Своей простотой и доступностью фотометрическая спецификация цветовых стимулов дает исследователю большие удобства по сравнению со спектрорадиометрическими и спектро-фотометрическими измерениями.

Таким образом, цветовые стимулы можно характеризовать в единицах энергии, фотометрической яркости и светлоты. В со­ответствии с этими единицами в зрительных экспериментах моно­хроматические излучения можно выравнять в зависимости от за­дачи по энергии (равноэнергетический (equal energy) спектр), по фотометрической яркости (equal luminance) – равнояркий спектр, и по светлоте (равносветлый спектр – equal brightness).

2.4.2. Хроматические характеристики цвета

Традиция психофизического изложения материала требует по­сле описания абсолютной чувствительности рассматривать диф­ференциальную чувствительность сенсорной системы. Однако без предварительного описания отдельных составляющих цветового ощущения дифференциальную чувствительность рассматривать невозможно. Даже при описании общей абсолютной чувствитель­ности ахроматического и хроматического зрения нам пришлось упоминать насыщенность цвета, определение которой будет дано только теперь. Поэтому мы рассмотрим вначале все основные хроматические характеристики (или субъективные переменные) цвета, а затем перейдем к описанию дифференциальной чувстви­тельности.

Цветовой тон спектральных стимулов. Рассмотрим вначале разложение светового луча в спектральный ряд монохроматичес­ких излучений. Наблюдая через апертуру последовательно эти монохроматические излучения, мы увидим, что с одного конца, длинноволнового, спектр начинается красным цветом, затем сле­дуют оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, а заканчива­ется спектр фиолетовым цветом, который вновь содержит в себе красноватый оттенок. Между соседними цветами в спектре замет­ны и переходные оттенки – красновато-оранжевый, желто-зеле­ный и т. д. Все множество различных цветовых оттенков, которые мы перечисляли, характеризуется термином цветовой тон. Цвето­вой тон является одной из основных характеристик цвета, или, по-другому, базисным сенсорным качеством цвета. Но определить это понятие можно, только обращаясь к отражению субъективного опыта в речи.

Распределение цветовых тонов в спектре не соответствует прямо распределению длин волн. На отдельных участках спектра небольшое изменение длины волны излучения может привести

59

к значительному изменению цветового тона, а на других участках» наоборот, даже значительное изменение в длине волны может не вызвать заметного изменения цветового тона. Зависимость цвето­вого тона от длины волны спектрального цвета иллюстрируется двумя функциями на рис. 2.4.4. Кружки представляют данные, полученные методом кансилляций [105], а точками представ­лены данные, полученные методом многомерного шкалирования больших цветовых различий [12]. Хотя эти функции получены разными методами, они хорошо согласуются друг с другом. Рис. 2.4.4 показывает, что изменение цветовых тонов в спектре,

0,5

1,0

1

я» §40,5

■U

о

0,5

W

0,5

100 троланд. Темнобая адаптация

10 миллилам5ерт, Световая адаптация

360

270

180

30

ft»

Й-

S3

«?

со =»>

Ci

ги Г,

-О

е

а:

§■

о>

>

а: со

0

450

500 . 550 600

Длина Волны, нм

650

Рис. 2.4.4. Функции зависимости цветового тона от длины волиы

монохроматического излучения. Точками показаны данные Харви-

ча и Джемсон [105], а кружками – данные Измайлова [12]

хотя и монотонно связано с длиной волны излучения, но имеет не гладкую форму, а ступенчатую. Три пологие части этих функций расположены в коротковолновой, средневолновой и длинноволно­вой частях спектра и, вероятно, определяются трехрецепторной природой входа цветового анализатора у человека.

Вообще данные, относящиеся к цветовому тону, наиболее со­гласованы между собой и вызывают меньше всего споров между исследователями. Здесь сказывается существенная очевидность феноменов, связанных с цветовым тоном, и далее мы еще убе­димся в этом.

Смешение цветов. Нагляднее всего рассматривать феномено­логию смешения цветов на данных опытов, проводимых на уста-

60

новке Ньютона (рис. 1.1). Смешение цветов происходит в том

случае, если после линзы отдельные составляющие спектра фо­кусируются на одном и том же небольшом участке (1–2°) цент­ральной ямки сетчатки (фовеальное наблюдение). С помощью процедуры, обратной разложению белого света, спектральные цвета можно вновь смешать и получить исходный белый цвет. Ньютон показал, что любые цвета вообще можно смешивать друг с другом, образуя новые. Например, тот же белый цвет можно получить, смешивая не все цвета спектра, а только часть их. При этом в получившейся смеси уже невозможно определить исходные составляющие цвета, Однако образование новых цветов не сопро­вождается появлением новых цветовых тонов. За исключением белого и пурпурных цветов все остальные цветовые смеси, какими бы исходными цветами мы ни пользовались, будут иметь цвето­вой тон какого-либо из спектральных цветов. Полное топологиче­ское представление о цветовых тонах можно получить из цвето­вого круга Ньютона, в центре которого расположен белый цвет, а по периметру круга – монохроматические цвета и пурпурные (рис. 1.2). Радиусы круга представляют цветовые тона. Множест­во точек внутри круга представляет множество цветов, которые можно получить смешением монохроматических цветов. Какую бы точку внутри круга мы ни взяли, она всегда будет принадлежать-радиусу круга, связанному с точкой периметра, т. е. с некоторым монохроматическим цветом. Это означает, что искомый цвет бу­дет одного тона с этим монохроматическим цветом.

Результаты опытов Ньютона и других исследователей показы­вают, что смешение цветов подчиняется определенным закономер­ностям:

1. Для любого цвета определенного тона существует цвет дру­гого, причем единственного тона, такой, что при смешении этих двух цветов получается ахроматический цвет. Цвета, таким обра­зом связанные, называются дополнительными по цветовому тону,

2. При смешении двух разных цветов результирующая смесь всегда есть цвет промежуточный между исходными, так что он меньше отличается от исходных, чем исходные между собой, и при новом смешении полученного цвета с одним из исходных невозможно получить второй исходный цвет.

3. Два одинаковых цвета при смешении дадут тот же самый цвет независимо от спектрального состава исходных цветов.

Насыщенность спектральных цветов. Проведем следующий опыт. Смешаем два спектральных цвета: зеленый (530 нм) и синий (460 нм) так, чтобы цветовой тон смеси соответствовал голубому спектральному (480 нм). Мы увидим, что из двух оди­наковых по тону голубых цветов смешанный по сравнению со спектральным кажется беловатым, более выцветшим. Подобное различие между цветами, имеющими одинаковый тон, определя­ется разной насыщенностью цветов. Термин «насыщенность» ха­рактеризует отличие данного цвета от белого. Белый цвет имеет нулевую насыщенность.

61

В серии цветов, одинаковых по тону, наиболее насыщенным является спектральный. Но разные по тону спектральные цвета имеют разную насыщенность. По краям спектра цвета более на­сыщенны, в середине – менее насыщенны. График зависимости насыщенности спектральных цветов от длины волны излучения приводится на рис. 2.4.5. Эти данные получены Мартином, Уэбер-

тоном и Морганом (1933), кото­рые измерили число дифференци­альных порогов от белого до каж­дого из монохроматических цве­тов. Хотя разброс данных по ис­пытуемым довольно большой, но порядковые соотношения насы-щенностей спектральных цветов остаются неизменными. Наиболее насыщенными являются красные цвета, затем – синие и зеленые, а наименее насыщенные – жел­тые цвета спектра. Интересным свойством обладает часть спект­ральных цветов в диапазоне от примерно 530 нм до 675 нм. При смешении пары цветов из этого диапазона смесь по насы­щенности совпадает с промежу­точным спектральным цветом. Это потому, что сами спектраль­ные цвета в этом.диапазоне поч­ти равномерно убывают по насы­щенности от краев к середине (570–580 нм).

Смешение цветов (продолжение). Из двух одинаковых по тону цветов менее насыщенный цвет всегда является промежуточным между более насыщенным и белым и может быть получен их смешением. Когда смешиваются два цвета, одинаковых по насы­щенности, но различных по тону, то насыщенность полученной •смеси всегда меньше насыщенности исходных цветов. И чем даль­ше друг от друга по своему тону в спектральном ряду располо­жены эти исходные цвета, тем заметнее разница в насыщенности. При смешении близких по тону цветов разница по насыщенности совсем не заметна, а максимума она достигает при смешении двух дополнительных по тону цветов. Тогда полученная смесь имеет нулевую насыщенность. В общем виде эту закономерность можно сформулировать так:

4. При смешении двух разных цветов полученный цвет всегда .менее насыщен, чем хотя бы один из исходных.

В частном случае, когда оба исходных цвета имеют одинако­вый цветовой тон, эта закономерность сводится ко второму за­кону смешения цветов. Если мы возьмем цвета одинаковой насы-

62

с 25 ^ 20

&

С;

15

10

• •

i

Л /

i/

I/

to-

450 500 550 600 Длина волны, нм

650

Рис 2.4.5. Функции зависимости на­сыщенности от длины волны моно­хроматического излучения. Пунктир­ные линии показывают данные для двух испытуемых из работы Марти­на и др. [146]

щенности, то второй закон останется справедливым для цветовых тонов. Если же взять цвета одинаковые по тону и насыщенности,. но разные по светлоте, то второй закон смешения цветов уже те­ряет смысл. Аналогичным образом третий закон смешения цветов имеет смысл только для таких характеристик цвета, как тон и насыщенность, и не относится к светлоте. Поскольку первый и четвертый законы смешения цветов относятся вообще только к одной из характеристик цвета – либо к тону, либо к насыщен­ности, то оказывается, что законы смешения цветов характеризу­ют всего два сенсорных качества цвета – тон и насыщенность. Эти два качества являются основными хроматическими характе­ристиками цвета, в отличие от ахроматических, одну из которых– светлоту (или яркость) мы уже рассматривали раньше. Изменение по цветовому тону и насыщенности цветового стимула называ­ется изменением хроматичности стимула. В англоязычной лите­ратуре используется термин «chromaticity», который в отечествен­ной литературе чаще всего переводится термином «цветность».

2.4.3. Влияние яркости на хроматичность спектральных цветов

Рассмотренные в предыдущем разделе характеристики спект­ральных цветов были получены на одном и том же уровне либо-фотометрической яркости, либо светлоты. Что произойдет с этими характеристиками при изменении уровня яркости в большую или меньшую сторону?

Влияние яркости на цветовой тон. Феномен Бецольда–Брюкке. Изменение яркости спектральных стимулов в значительной сте­пени меняет цветовые тона излучений (рис. 2.4.6). При увеличе­нии яркости крайние коротковолновые излучения (420–460 нм) из фиолетовых превращаются в синие, то же самое происходит с голубыми и сине-зелеными цветами спектра (480–495 нм), а зеленые и зелено-желтые цвета из средневолнового участка спек-ра (505–560 нм) превращаются в желтые. Длинноволновые излу­чения при увеличении яркости (580–675 нм) также желтеют, как и средневолновые. Таким образом, при увеличении яркости все цветовые тона сдвигаются по направлению к двум тонам спектра: синему (470–480 нм) и желтому (565–575 нм). Изменение цве­тового тона при увеличении яркости называется феноменом Бе­цольда–Брюкке, по имени исследователей, впервые описавших это явление. На рис. 2.4.7 приводятся результаты измерения этого феномена для разных спектральных цветов при изменении фото­метрической яркости на одну логарифмическую единицу. Эта функция была получена Парди как количественная характеристи­ка феномена Бецольда–Брюкке [165].

При уменьшении яркости наблюдаются обратные изменения цветовых тонов спектральных стимулов. Желтые и оранжевые-цвета краснеют, фиолетовые также краснеют, а желто-зеленые и сине-зеленые – зеленеют. Таким образом, при уменьшении яр­кости все цветовые тона спектра смещаются также по направлению*

63

.« двум*тонам, но теперь уже к зеленому (495–505 нм) и крас­ному. Четыре цветовых тона, которые не меняются при измененш яркости цвета, называются константными тонами спектра. Трк из них соответствуют спектральным цветам с указанными выше .длинами волн, а четвертый – красный – соответствует тон> цветовой смеси излучений с длинами волн 675 и 440 нм [39].

500 600 700

Длина волны, нм

Рис. 2.4.6. Изменение цветового то­на при увеличении яркости (феномен Бецольда–Брюкке). Направление

вертикальной линии показывает, в какую сторону и насколько наномет­ров необходимо изменить длину вол­ны излучения, чтобы цветовой топ оставался неизменным. Взято из Харвича и Джемсон [105]

Ц50

500 550 600 650 Длина болны, нм

Рис. 2.4.7. Функция зависимости ве­личины феномена Бецольда–Брюкке от длины волны монохроматического излучения. Взято из Парди [165]

Зависимость насыщенности цвета от яркости. Рассматрива* ранее пороги хроматичности спектральных цветов (рис. 2.4.2), мь видели, что существует такой уровень яркости, когда одни цвета уже имеют ясно выраженную хроматичность, а другие еще ахро­матичны. Однако, даже достигнув порога хроматичности, цвет* еще не обладают максимальной насыщенностью. Увеличение яр­кости спектральных цветов над пороговым уровнем приводит к постепенному увеличению насыщенности цвета, но, достигнуЕ максимума, насыщенность при дальнейшем увеличении яркости начинает убывать и при очень больших яркостях, близких к верх нему абсолютному порогу, цвета снова становятся ахроматически­ми. Значения яркостей, при которых цвета достигают максимума насыщенности, неодинаковы для разных излучений. Они наиболь­шие для средневолновых излучений, а к обоим концам спектра они убывают (рис. 2.4.8).

2.4.4. Геометрическая модель смешения цветов

Результаты смешения спектральных цветов удобно описывать

в геометрических терминах координатного пространства. Тогда

например, можно сказать, что в пространстве смешения цветов

спектральный ряд от 520 до 660 нм расположен на одной геоде-

64

зической линии. Это пространство, очевидно, двумерно. Одним измерением служит цветовой тон, а другим – цветовая насыщен­ность. Такое пространство называется пространством хроматич-ности, или цветности.

По существу первой геометрической моделью цветности явля­ется цветовой круг Ньютона. Две полярные координаты – гори­зонтальный угол и расстояние до центра – однозначно определяют хроматичность любого цвета на цветовом круге и интерпретиру­ются как цветовой тон и насыщенность. Геодезической линией смешения цветов является евклидова прямая. Эта модель только на качественном уровне описывает факты цветового смешения. Так, например, она не согласуется со свойствами смешения моно­хроматических цветов в диапазоне 530–675 нм.

500 550 600 Длиий 8олны,нм

Красный

Пурпурный

Желтый

Синий

Голубой

Зеленый

Рис. 2.4.8. Кривая, показывающая

яркость монохроматического излуче­ния, при которой его цвет воспри­нимается максимально насыщенным. Взято из Парди [164]

Рис. 2.4.9. Схема цветового тре­угольника Максвелла. Цветное изображение приводится на 4-й сторонке переплета кннгн

Трехкомпонентность смешения цветов. Анализируя и продол­жая опыты Ньютона по частичному смешению спектральных цве­тов, Юнг (1804) показал, что субъективно все множество цвето­вых тонов и белый цвет можно воспроизвести смешением всего трех правильно выбранных спектральных цветов. Правило заклю­чается в том, чтобы ни один из этих исходных цветов нельзя было получить смешением остальных двух. Эти цвета – фиолетовый, зеленый и красный – Юнг рассматривал как базисные или пер­вичные цвета. Цвета, которые Ньютон считал простыми, – синий, желтый и др. – являются, с точки зрения Юнга, попарными ком­бинациями фиолетового и зеленого, зеленого и красного и т. д. В соответствии с этой идеей Юнга цветовой круг Ньютона был трансформирован Максвеллом в равносторонний треугольник, в центре которого расположен белый цвет, а по вершинам три основных цвета (рис. 2.4.9). Цветовой треугольник Максвелла

65

позволяет описывать смешение цветов не только на качественном уровне, но и в количественных терминах. В качестве меры коли­чества цвета в смеси Максвелл использовал площадь сектора вертушки Максвелла (эта установка Максвелла для смешения цветов прекрасно описана в книге Пэдхема и Сондерса «Восприя­тие света и цвета»). В установках, где используются монохрома­тические излучения, в качестве меры берется величина светового потока излучения в люменах.

Эксперименты Максвелла и Грассмана показали, что количе­ственные данные по смешению цветов дают формальные основа­ния распространить понятие трехкомпонентности на цвета любых хроматичностей, в том числе и тех, которые нельзя получить смешением первичных цветов, и даже тех, которые нельзя полу­чить никаким физическим стимулом. Это означает, что трехкомпо-нентность не просто феномен смешения цветов, а, как считали Юнг и Гельмгольц, феноменальная характеристика любого цвето­вого -ощущения.

Понятие трехкомпонентности цветового ощущения продвинуло науку о цвете сразу в двух направлениях. С практической сторо­ны оно послужило основой для создания колориметрии как стан­дартного метода спецификации цвета [38; 7]. Кроме того, оно привело Юнга к совершенно оригинальному представлению о строении зрительного анализатора, которое развилось Гельмголь-цем в широко известную трехкомпонентную теорию цветового зре­ния.

Цветовая оппонентность. Проведем еще один опыт. К монохро­матическому синему цвету (470 нм) начнем примешивать моно­хроматический желтый (580 нм). По мере прибавления к смеси желтого цвета синий цвет станет постепенно бледнеть, выцветать, пока не исчезнет полностью. Аналогичный эффект произойдет с желтым цветом, если к нему добавлять достаточное количество синего. И вообще любой оттенок в любой смеси можно элимини­ровать, т. е. получить ахроматический цвет, если добавить к смеси два из четырех основных тонов. Геринг предложил характеризо­вать этот феномен цветовой оппонентностью, поскольку такие цвета не дополняют, а взаимно исключают друг друга, они как бы противостоят друг другу по знаку.

Анализируя с этой точки зрения спектральный ряд, Геринг приходит к выводу, что субъективно все многообразие цветовых тонов можно охарактеризовать как производное от четырех цве­тов – красного, желтого, зеленого и синего, каждый из которых не содержит в себе никакого влияния, следа от трех остальных. Так, например, в желтом цвете не видно ни красного, ни зеленого, ни тем более синего, тогда как оранжевый цвет явно ощущается как красноватый с некоторой желтизной и т. д. В этом смысле таким же первичным цветом является белый цвет, в котором субъективно нет никаких других цветов. Четыре основных цвета в спектральном ряду связаны в две хроматические оппонентные пары красно-зеленую и сине-желтую. Третья оппонентная пара

66

ахроматическая, характеризуется она бело-черными цветами. Причем черный цвет определяется не просто как отсутствие цвета вообще, но как самостоятельный феномен [38].

Американские исследователи Лео Харвич и Доротея Джемсон разработали метод количественного измерения цветовой оппонент-ности – метод кансилляции или метод вычитания. В соответст­вии с идеей Геринга, что хроматичность любого цвета полностью определяется всего двумя из четырех попарно оппонентных цветов (одному из красно-зеленой пары и другому – из сине-желтой пары), Харвич и Джемсон предложили, что добавление к любому

	Желтый
Желто-зеленый	Оранжебый
Зеленый	белый Красный
Голубой	Пурпурный
	Синий

Рис. 2.4.11. Схема соотношения четырех оппонентных цветов в цветооппонентиой системе Герин­га. Цветное изображение приво­дится на 4-й сторонке переплета книги

цвету оставшихся двух оппонентных цветов приведет в общем случае к полному устранению хроматичности в ощущении, остав­ляя только ахроматическую составляющую. Так, например, хро­матичность спектрального оранжевого цвета определяется крас­ным и желтым первичными цветами. Добавление к оранжевому первичного зеленого цвета приведет к нейтрализации красного компонента в оранжевом цвете. После нейтрализации одного пер­вичного цвета в оранжевом останется только желтый первичный. Его нейтрализуют первичным синим цветом и получают в итоге ахроматический цвет, что и требовалось доказать. Количество одного основного цвета из оппонентной пары (вычитающего), не­обходимое для нейтрализации второго (вычитаемого) в данном

I | 0,5

$

I S

3-

$: В-

о

1,0

1.5 -

2,0

г,5-

3,0

3,5

- -А» Л

- Исп

Н

Ъ- синий у- желтый д- зеленый г- красный

400 500 600

Длина 6олны,нм

700

Рис. 2.4.10. Функции спектральной валентности четырех основных цве­тов Геринга, полученные в работе Харвича и Джемсон [105]

67

цвете, сйужит количественной мерой наличия вычитаемого оппо-нентного цвета в данном монохроматическом цвете (рис. 2.4.10).

В геометрических терминах такое пространство цветности пред­ставляет собой двумерную поверхность с двумя взаимно ортого­нальными осями координат. Каждая ось координат характеризу­ется как одна из оппонентных систем, положительные и отрица­тельные значения на каждой оси характеризуют взаимоотношения оппонентных цветов в паре. Белый цвет располагается в точке пересечения осей координат, а ахроматичная оппонентная система представлена третьим измерением по оси, перпендикулярной плос­кости хроматических систем (рис. 2.4.11).

Открытие цветовой оппонентности существенным образом пре­образовало не только представление о феноменологии цвета, но дало ключ к пониманию главного механизма восприятия цвета и взаимодействия этого механизма с другими системами зрительного анализатора.

2.4.5. Цветовые сходства и различия

Представим себе, что у нас имеются две установки Ньютона для смешивания цветов и мы их расположим так, чтобы цветовые лучи от них проецировались на соседние участки фовеальной об­ласти сетчатки. Наблюдатель будет видеть два цвета, располо­женных рядом в поле зрения, а экспериментатор может изменять цвет каждого поля в отдельности. Если мы предъявим испытуе­мому два монохроматических луча, например, с длиной волны 570 нм, то он увидит два одинаковых желтых цвета. Можно ска­зать, что такие два цвета имеют полное (максимальное) субъек­тивно© сходство и не имеют никакого субъективного различия* т. е. нулевого различия. Начнем добавлять к одному из желтых цветов монохроматический красный цвет. Это можно сделать,. если вместо светонепроницаемой перегородки, которая у Ньютона ставится для ограничения доступа отдельным лучам к линзе, на пути крайнего в спектре длинноволнового излучения поставить оптический клин. Оптический клин позволяет непрерывно менять количество пропускаемого света от 0% на одном конце до 100% на другом. Сравнивая получаемую смесь со вторым желтым цве­том, мы обнаружим, что новый цвет вначале почти не отличается по хроматичности от исходного, т. е. одного из компонентов сме­си, но по мере добавления в смесь другого компонента – красно­го цвета – разница становится все более заметной, пока мы не получим оранжевый цвет, который значительно отличается от желтого. Если теперь из смеси красного и желтого цветов убирать понемногу желтый (с помощью такого же оптического клина), то различие между исходным желтым и новым цветом будет снова увеличиваться, пока мы не получим красный цвет, т. е. цвет вто­рого компонента в смеси.

Цвет смеси непрерывно изменяется, если непрерывно меняется компонентный состав смеси. Грассман первый отметил это топо-

63

логическое свойство цветового смешения, которое существенно для хорошего пространственного представления феноменов смешения цветов [93].

Для нас же сейчас важно отме­тить, что непрерывное изменение хроматичности в направлении от одного цвета к другому приводит одновременно к непрерывному уве­личению субъективного различия между первым цветом и смесью и в то же время к увеличению субъективного сходства между вторым цветом и смесью. Таким образом, цветовое сходство и цве­товое различие являются взаимно обратными характеристиками цве­та, так что максимальное сходство соответствует минимальному разли­чию, а максимальное различие – минимальному сходству (рис, 2.4.12) [9].

Непрерывность и сходство-раз­личие цветов являются свойствами не только хроматических состав­ляющих цвета, но относятся также и к ахроматическим составляющим, т. е. они являются более общи­ми феноменами, чем феномены смешения.